低軌衛星網絡服務質量保障路由方法綜述*

孫士然，陳龍，孫澤坤，孫群英，李杰，張然,4，劉江,4

（1.北京郵電大學,北京 100876；2.航天工程大學,北京 101416；3.上海衛星互聯網研究院有限公司,上海 202210；4.網絡通信與安全紫金山實驗室,江蘇 南京 211111）

0 引言

近年來，隨著無線電和衛星小型化技術的發展，低軌衛星網絡以其低時延、低成本的特點成為了大規模衛星網絡的新熱點，大容量星間鏈路的應用也讓低軌衛星網絡承載高密度的地面網絡業務流量成為可能。3GPP 已經定義了一些衛星網絡在移動通信系統中的使用場景，可作為地面網絡的延伸[1]，在未來空天地一體化網絡發揮重要作用，其應用架構如圖1 所示。特別對于物聯網業務應用，到2030 年物聯網設備的數量將達到240 億以上，低軌衛星網絡覆蓋范圍廣、受自然災害影響小的特點，使其可以在任意時刻傳輸任意地點的物聯網數據[2]。隨著6G 研究的全面展開，數字化和智能化發生深刻變革，工業制造、智能交通、全息通信等多方面的新業務也不斷涌現。不同的業務對網絡傳輸的時延、帶寬、丟包率等服務質量提出了不同的要求，例如，雙向會話服務對延遲具有極高的要求，而單向數據流服務對網絡的丟包率和帶寬具有很高要求[3]。而衛星網絡天然具有拓撲高動態，鏈路不穩定的特點，如何在高度動態的衛星網絡環境中計算出滿足業務服務質量需求的路由是亟待解決的關鍵問題，目前研究人員已經根據衛星網絡的特點對路由方法進行了一些研究，并提出了不同場景下的解決方案。

圖1 衛星網絡應用架構圖

衛星網絡中網絡資源稀缺、傳播時延長、業務種類繁多，多服務質量保障約束下的路由算法能夠提供多樣化業務的差異化服務質量保障，在考慮網絡資源的情況下，滿足多種業務的不同QoS 需求；通過將SDN 引入衛星網絡，解耦網絡的數據平面和控制平面，由控制平面完成復雜的計算操作，降低了數據平面上的衛星節點的計算需求，增強了衛星網絡控制管理的靈活性。在解決路由優化問題上，蟻群算法通過模擬螞蟻覓食來求解，基于其自適應性被許多學者應用于具有高動態性的衛星網絡路由求解。衛星網絡具有高動態性、傳播時延隨時間變化、鏈路斷續連通的特點，難以為業務提供確定性的服務質量保障，而確定性網絡是一種新型的網絡技術，旨在通過資源預留、時間同步、流量整形等機制為業務提供確定性的服務質量保障的能力，將確定性網絡技術應用于衛星網絡是有前景的，本文將基于以上對衛星網絡服務質量保障路由的研究方向，具體闡述每類方向下的不同研究方法。

1 傳統網絡中服務質量保障路由算法

1.1 基于圖論的服務質量保障路由算法

未來寬帶衛星網絡承載的業務種類和用戶類型更加多樣化、差異化，需要為不同業務需求的用戶進行區分，提供差異化的服務質量保障。

文獻[4]提出了一種基于存儲時間聚合圖的算法來解決時變網絡的最大流問題，關注衛星網絡上多個任務的傳輸服務質量保障（QoS,Quality of Service）問題，通過聯合考慮業務的傳輸量與開始時刻，鏈路的連通機會以及節點的存儲資源，借助鏈路累積流量計算規則，構建面向業務的最短時延路徑，從而保障業務的傳輸時延。進一步設計了具有時延保障的星間路由協議，支持斷續連通的時變網絡環境中拓撲的動態發現、路由的高效計算以及數據分組的定時轉發。

為解決在衛星動態切換時造成的路徑失效問題，文獻[5]首先建立虛擬節點動態資源圖和多目標優化模型，該模型可以同時考慮節點的切換狀態、存儲資源以及鏈路的剩余帶寬、時延等信息；其次，利用蟻群算法建立多QoS約束計算模型，通過調整信息素揮發系數，為每個連接請求找到一段時間內符合多QoS約束的多條路徑；最后基于冪數加權公式選出一段時間范圍內的最優路徑，達到緩解網絡擁塞，提高網絡QoS的目的。

文獻[6]不但考慮了多種QoS，還考慮了不同QoS之間的優先級關系，提出了多QoS路由優化算法，考慮多個QoS要求之間的優先級關系，提出多QoS路由優化算法，對可行鏈路的資源信息構建決策模型，根據QoS需求為不同的服務設置優先級系數，然后采用多徑服務質量路由算法對QoS屬性路徑集進行決策，得出最優路徑。文獻[7]采用多優先級排隊機制來保障每跳的QoS要求，在滿足高優先級業務性能的前提下，臨時提高低優先級業務的優先級，來避免資源浪費。將可用鏈路資源、傳輸開銷等映射為鏈路的權重，考慮網絡拓撲變化的影響，以保障鏈路壽命大于鏈路上業務傳輸所需要的時間，從而避免性能下降。

1.2 基于蟻群算法的服務質量保障路由算法

蟻群算法是一種模擬螞蟻群體行為的群體智能算法[8]，它通過模擬螞蟻在尋找食物的過程中的群體協作行為來解決問題，具有很好的自適應性，能夠快速適應網絡的動態變化，對于高動態的衛星網絡場景很有優勢。

文獻[9]提出了一種基于蟻群算法考慮負載均衡的低軌衛星網絡QoS優化路由算法，將初始信息素濃度與衛星網絡流量需求進行匹配，降低了流量需求較高路徑的信息素積累，避免流量聚集導致的網絡擁塞，使算法更快收斂于最優解，綜合考慮了端到端時延、時延抖動、剩余帶寬作為多QoS目標優化因素，為每一條業務請求求解出滿足時延與負載均衡約束下路徑代價最小的路徑。

為提高衛星網絡可靠性，文獻[10]根據圖論的概念，考慮關鍵節點的全局影響，提出了一種智能備份路由算法。在蟻群路由算法的基礎上，引入介數中心性來評估節點的重要性，并以此來選擇整個網絡的關鍵節點。在迭代計算過程中，當且只有當在原始路徑中找到關鍵節點時，才能計算備份路徑，通過這種方式來處理衛星網絡遭受隨機故障或智能攻擊的情況。

為了為衛星網絡提供更好的QoS和數據傳輸安全性，文獻[11]提出一種自適應QoS動態路由算法，基于空間網絡中節點的異常轉發累積次數和負載能力來評估節點的信譽，用信譽值來表示節點的安全性和負載情況，衛星節點定期與鄰居節點交換信譽值，若出現信譽值被篡改，將會降低該節點的信譽，節點在轉發時優先選擇信譽值較高的鄰居節點進行轉發。使用改進的蟻群算法進行路由發現和動態維護，為從源節點到目的節點的具有更高服務質量和安全性的路徑提供更多的信息素獎勵，從而使所選路徑成為一種綜合性能更好的安全路徑。

蟻群算法作為一種經典的路徑搜索啟發式算法，本文提到的算法在蟻群算法的基礎上進行改進，通過修改信息素初始濃度分布、改變信息素積累方式等方法，將QoS保障目標作為目標優化因素，在求解出最優路由的同時有效降低算法復雜度，有效緩解星上開銷。

1.3 基于機器學習的服務質量保障路由算法

強化學習是一種生物啟發的機器學習方法，其中代理通過與環境的交互尋找最優策略[12]，為提升衛星網絡路由計算性能和緩解星上存儲資源壓力提供了新的途徑?；赒學習的自主和分布式數據包路由算法是一種經典的基于值的強化學習方法。

文獻[13]提出了一種基于Q學習的超大規模低軌衛星網絡路由方案?；趶娀腝路由（QR，Q Routing）方法進行分布式路由更新，自適應動態衛星拓撲，降低路由計算資源消耗。通過特定獎勵函數的設計，在衛星網絡中實施多目標優化方法，以找到轉發數據包的最優下一跳，并在路由維護中提供長期服務質量優化，實現端到端時延保障和低網絡負載均衡。

為實現衛星網絡節點高效安全轉發，文獻[14]設計了一種基于改進的雙Q學習的衛星物聯網（S-IoT,Satellite Internet of Things）自適應路由算法。整個S-IoT被視為強化學習環境，衛星節點和地面節點被視為智能體，在每個節點維護兩個Q表用于轉發和評估。為得到最優Q值，利用網絡擁塞水平、節點狀態和跳數來改進混合Q值、獎勵值和折扣因子，實現多重保障。該算法在高度動態的環境中可提供更高效、安全的路由與轉發。

為利用可信路由方案評估節點信任值，避免惡意節點攻擊引起的QoS下降，文獻[15]設計了一種完全分布式的多智能體架構，相較于集中式路由算法不需要收集全網鏈路信息，只需收集相鄰節點狀態即可獨立做出決策，每個智能體都是獨立訓練的，可以適應衛星網絡的實時變化，通過提高系統對數據傳輸的信任度，最大限度降低隊列使用率，設置可變的信任值和延遲約束來滿足不同服務的QoS要求。

表1為本節提到的傳統網絡中QoS保障算法進行了分類，它們將業務所需的多種網絡資源以圖中邊的權重、信息素、模型參數的方式綜合表現在鏈路參數中，把求解多QoS保障路由問題轉化為特定的最優化問題，以簡化求解復雜性。

表1 傳統網絡中的QoS保障路由算法

2 軟件定義網絡中服務質量保障路由算法

軟件定義網絡（SDN,Software Defined Network）如圖2所示是一種新型動態網絡架構。它采用分層思想，將網絡的數據平面和控制平面解耦，通過網絡功能虛擬化實現軟件和硬件的分離，使得網絡不再受限于硬件結構，而可以根據業務需求進行定制化的高效編排和資源重構，從而實現快速、靈活的網絡組網[16]。將軟件定義技術與衛星網絡融合，將邏輯控制功能集中到控制器上，可以簡化衛星功能設計，有助于實現高效的網絡管理與控制，靈活的網絡配置以及與異構網絡的兼容性，優化路由策略，降低部署成本，并保障業務的服務質量。

圖2 衛星軟件定義網絡架構

文獻[17]提出了基于SDN的衛星網絡架構，在此模型中將流量分為三類具有不同QoS需求的流量類型，提出一種結合優先級隊列和加權循環的流量調度框架，為A類業務設置高優先級隊列以確保優先性，為B類和C類業務采用加權循環調度策略，以保證帶寬分配的公平性，不僅保證高優先級業務的QoS要求，也可以防止低優先級業務服務無法被服務。對有時延要求的A類和B類業務，結合當前衛星節點和目的衛星節點的位置信息通過集中式算法計算出最優路徑。對有帶寬限制的C類業務，提出了一種基于鏈路狀態的動態帶寬自適應算法，通過控制器監視全網鏈路的帶寬資源狀態，由此設置鏈路可用性并計算出業務相應的路由。文獻[18]將路由建立、路由表存儲和控制開銷視為三個部分，據此對鏈路進行建模，以準確反映基于SDN架構下衛星網絡的網絡狀態和性能，根據用戶QoS要求制定細粒度的數據傳輸策略。

為了滿足空間任務多種不同業務傳輸質量需求，文獻[19]對Dijkstra算法進行了改進，提出了一種多QoS目標優化路由算法。首先建立包括帶寬、時延、丟包率多個QoS約束的優化模型，使用拉格朗日松弛法對多約束問題進行松弛處理，得到新的鏈路權重公式。然后在權重因子中引入動態步長，通過判斷所選路徑是否滿足QoS的要求，改變時延、丟包率在鏈路權重的比例和影響，根據衛星網絡星上資源受限的特性，將鏈路吞吐量和鏈路可用性作為鏈路初始權重的重要指標，初始鏈路權重由路由開銷表示，鏈路可用帶寬越大，其相應的開銷值越小，這樣控制器會優數據流引向帶寬充足的鏈路，避免網絡擁塞。最后通過逐步迭代，快速收斂，找出滿足多QoS需求的最優路徑。

針對節點負載均衡以及星間鏈路切換問題，文獻[20]利用SDN網絡架構管理和優化LEO衛星網絡通信系統，提出一種高性能QoS保障的LEO衛星星間路由算法。針對通信鏈路狀態信息和星間鏈路通斷實時變化的問題，根據剩余鏈路持續時間定義星間鏈路生存時間，得出每條星間鏈路的穩定度，解決由于鏈路切換導致的業務路徑重構問題?；诟哕壍佬l星得到的星間鏈路的流量狀態，定義鏈路負載矩陣，給出星間鏈路負載度函數，并利用標簽交換路徑集合得到每條路徑的負載度，以避免節點擁塞，實現網絡負載均衡。通過路徑代價函數給出路由決策矩陣，根據用戶對業務時延、帶寬和丟包率的不同要求，將業務分為3種類型，定義權重因子矩陣，根據不同業務類型的需求，分配不同的權重因子，保證用戶的QoS要求。針對瓶頸節點提出調整因子來減小其對路由算法的影響，并通過理論證明調整因子的有效性。

表2對上述提到的確定性網絡中的QoS保障的路由算法做以總結。通過將軟件定義網絡架構引入衛星網絡，本文提到的算法得以通過集中式控制器，對網絡可用資源進行實時監控，建立包括時延、帶寬等QoS約束的優化模型，基于全網資源視圖求解QoS保障最優化問題。

表2 SDN網絡中的QoS保障路由算法

3 確定性網絡中服務質量保障的路由算法

確定性網絡是一種新型的網絡技術，旨在為業務提供確定性的服務質量保障的能力，可為業務提供確定性的資源預留、時延控制以及更高的可靠性，可以有效解決傳統網絡中鏈路擁塞、數據分組丟包、數據分組超時等問題。隨著部署范圍的擴大，通過中國網絡創新環境和長三角綜合測試環境兩個網絡測試平臺，確定性網絡已經實現了廣域網上的部署并進行了驗證，實現了大規模的延遲和抖動控制[21]。低軌衛星網絡憑借其廣覆蓋、時延短、可靠性高等特點，可為時延敏感業務提供服務，在衛星網絡中部署確定性網絡技術為業務提供確定性服務質量保障成為了人們研究的新熱點。

基于時變連續圖對天地一體化網絡進行建模，文獻[22]精準刻畫了網絡中的多維時變資源；構建相關定義及計算規則，對網絡中的約束條件給出了數學表示，計算出業務在路徑上傳輸情況，并提出了面向業務的時間確定性路由算法，為業務計算出具有時間確定性的端到端路徑。

在低軌衛星-地面集成網絡中，使用基于循環排隊和轉發機制（CQF,Cyclic Queuing and Forwarding）機制可以確保業務的確定性傳輸，為了解決使用CQF機制在衛星網絡低負載時造成資源浪費的問題，文獻[23]在低軌衛星-地面集成網絡的場景下提出了循環優先級和轉發（CPF,Cyclic Queuing and Forwarding）機制，通過定期交換隊列的優先級并且使傳輸時敏流的優先級隊列在任何時段都能發送，消除了傳統CQF的門限限制和周期轉發中對時間敏感流的帶寬限制，降低了服務超時率，并且提高了數據包轉發的可靠性。

文獻[24]開發了一種具有確定性時空路由、冗余編碼和多徑調度（DSNT-SRM,Deterministic Spa-tio-temporal Routing,Redundant Coding and Multipath Scheduling）的確定性衛星網絡傳輸方法，利用星歷表信息和動態資源更新機制來預測所有即將到來的通信機會，并構建確定性的時空路由路徑以保障傳輸時延；通過結合稀疏和冗余網絡編碼機制以保證傳輸的可靠性。

為了聯合表征了由業務隨機性導致的鏈路、存儲與時間資源的隨機特征，文獻[25]提出了隨機時變圖模型，并且表征了存儲與鏈路資源的關聯關系，為鏈路資源利用率的提升與業務的時間確定性保障提供了模型基礎；提出了最大概率時延保障的路由算法，基于統計數據為業務路由，解決了網絡時變性和業務時延確定性保障之間的矛盾。

表3對上述提到的確定性網絡中的QoS保障的路由算法做以總結。在多業務整體QoS需求滿足的前提下，它們分別在時延保障、擁塞控制、傳輸可靠性、資源利用率方面做了針對性設計。

表3 確定性網絡中的QoS保障路由算法

綜上所述，在衛星網絡中提供確定性服務是一個正在興起的趨勢，然而目前的技術方案都著重于三層網絡路由技術，通過單快照下的路徑規劃來為業務提供確定性，缺乏對底層機制的進一步研究，受限于衛星網絡的高動態性，無法保障業務在傳輸中的抖動要求。而在衛星網絡資源表征上，針對衛星網絡的時變性，有研究利用隨機過程來描述衛星網絡中的時變資源，為確定性服務提供了數學建?；A。

4 結束語

本文全面綜述了低軌衛星網絡在保障服務質量的路由策略領域的研究進展，特別關注多QoS路由優化、SDN架構等方面的路由算法。這些創新性的研究工作對于理解和改善差異化業務的服務質量保障具有重要意義，同時也在提高網絡資源利用效率、降低業務時延、增強網絡安全等方面展現了顯著成效。展望未來，隨著低軌衛星網絡技術的不斷成熟和應用領域的拓展，衛星網絡將會承載更多元化與復雜的業務，希望通過本文總結的內容能為未來的研究人員提供幫助參考。